close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

'mikrooptik – von komponenten zu Systemen' oder 'Was ein

EinbettenHerunterladen
mikro-nano-integration
'Mikrooptik – von Komponenten zu Systemen' oder
'Was ein Mikroskop und ein Projektor gemeinsam
haben'
Bei einem Mikroskop und einem Projektor handelt es sich auf den ersten Blick
um zwei sehr unterschiedliche optische Systeme, und doch können sie einiges
gemeinsam haben. So basieren die hier vorgestellten aktuellen Entwicklungen
zur Miniaturisierung solcher Systeme auf derselben Idee, der Verwendung von
Mikrolinsenarrays. Sowohl für das hier gezeigte flachbauende Mikroskop als
auch für den ultra-kompakten digitalen Array-Projektor werden aus Mikrolinsen bestehende Baugruppen und Komponenten verwendet.
▲ Abb. 1: Schematische Schnittdarstellung des optischen Wirkprinzips des flachbauenden Mikroskops.
Flachbauendes Mikroskop: Ein
mikrooptisches Abbildungssystem für digitale Nahaufnahmen
Das Mikroskop ist als universelles Inspektionssystem für kleine Strukturen
aus Anwendungsfeldern wie der Medizintechnik oder für Inspektionsaufgaben der industriellen Bildgebung
nicht mehr wegzudenken.
In zahlreichen Szenarien sind jedoch
lange Bildaufnahmezeiten aufgrund
der eingeschränkten Objektfeldgröße
und des damit verbundenen lateralen
Scannens höchst unerwünscht.
Die Lösung hierfür ist ein System,
dessen laterale Ausdehnung prinzipiell nicht begrenzt ist, sodass quasi
beliebig große Objektflächen ohne
die Notwendigkeit einer zeitlich sequentiellen Bildaufnahme mit einer
hohen Auflösung erfasst werden können.
Die verwendete Multiaperturanordnung behält unabhängig von der lateralen Größe dieselbe kurze Baulänge
im Millimeterbereich, sodass ein kompaktes und damit portables System
entsteht.
Das optische System besteht aus
einem Stapel verschiedener Mikrolinsenarrays, wobei die Frontgruppe der
Multiapertur-Abbildungsoptik (MLA 1
in Abb. 1) innerhalb eines jeden optischen Kanals ein verkleinertes reelles
Zwischenbild erzeugt, welches durch
die hintere Baugruppe (MLA 1) auf
den Bildsensor abgebildet wird.
Dies ist notwendig, damit die Mikrobilder benachbarter Kanäle in der
Bildebene aneinander angelagert werden können (optischer Bildanschluss).
Die mittlere Baugruppe (MLA 2) dient
hauptsächlich als Feldlinsenarray. Das
System ist spiegelsymmetrisch zur
mittleren Zwischenbildebene des Objektivs aufgebaut.
Folglich sind die erste und dritte Baugruppe identisch, wodurch der Optimierungs- und Herstellungsaufwand
reduziert wird.
Die laterale Ausdehnung der Arrays
aus Abbildungsoptiken ist prinzipiell
nicht begrenzt, sodass quasi beliebig
große Objektflächen ohne Notwendigkeit einer zeitlich sequentiellen BildANZEIGE
SENSOR MAGAZIN 1/2012 39
mikro-nano-integration
▲ Abb. 2: Demonstrator des flachen Mikroskops im Kleinbildformat im Vergleich zu
einem konventionellen Mikroskopobjektiv.
▲ Abb. 3: Optikschema einer Array-Projektionsoptik
aufnahme betrachtet werden können.
Die Multiaperturanordnung erlaubt
damit zum einen eine deutliche Reduzierung der optischen Baulänge auf
5,3 mm (Objekt-Bild-Abstand) und
zum anderen die simultane Beobachtung großer Objektfelder mit konstanter Ortsauflösung von bis zu 5 μm.
Abb. 2 zeigt einen Demonstrator auf
Basis eines Vollformatbildsensors
(Kamera Prosilica GE4900) mit einer
aktiven Fläche von 36 x 24 mm2.
40 SENSOR MAGAZIN 1/2012
Ultra-kompakter digitaler
Array-Projektor
Das Design kompakter, LED-beleuchteter Projektionssysteme nach aktuellem Stand der Technik erfordert aufgrund optischer Gesetzmäßigkeiten
stets einen Kompromiss aus Baugröße
des Gesamtsystems und der zu erzielenden Helligkeit im projizierten Bild.
Die vorgestellte neuartige Projektionstechnologie der 'Array-Projektion'
überwindet diese Einschränkungen
traditioneller Konzepte durch einen
optischen Mehrkanal-Aufbau und ermöglicht somit sehr dünne, gleichzeitig aber auch sehr helle digitale Projektoren, die durch ihre neuartigen
Eigenschaften außerdem eine rein
elektronisch gesteuerte Einstellung
der Projektionsentfernung ermöglichen. Das Konzept der Array-Projektion basiert zunächst auf der Miniaturisierung eines einkanaligen Projektors
bei gleichbleibender Blendenzahl bis
hin zur beugungs- und aberrationsbegrenzten notwendigen Informationsübertragungskapazität. Diese starke
Verkleinerung führt zu Brennweiten
von wenigen Millimetern, was die Nutzung von Mikrolinsen innerhalb des
Objektivs möglich macht und die
resultierende Dicke des Gesamtsystems maßgeblich bestimmt.
Der wesentliche Schritt besteht in der
Vervielfältigung dieses Projektors zu
einem zweidimensionalen Array identischer Mikroprojektoren, deren Einzelabbildungen sich schließlich durch
definierte Lagebeziehungen der Teilobjekte (Sub-Displays) und Projektionsobjektive in einer endlichen Entfernung pixelgenau auf dem Schirm
überlagern (s. Abb. 3).
Aufgrund der sehr kurzen Brennweiten der Projektionsoptiken von nur
wenigen Millimetern besitzen diese
eine vergleichsweise große Schärfentiefe, bei der die hyperfokale Distanz
bereits bei wenigen Zentimetern liegt.
Durch eine elektronische Regelung
der Mittenabstände innerhalb des
Objektarrays kann somit innerhalb
der Schärfentiefe des Einzelkanals
eine rein Software-gesteuerte Refokussierung für variable Projektionsentfernungen erfolgen. Dies macht
mechanisch bewegte Bauteile, wie sie
in einkanaligen Projektoren üblich
sind, unnötig.
Maßgebliche Eingangsgrößen für das
optische Design des Array-Projektors
sind die Spezifikationen des verwendeten transmissiven LCD-Mikrodisplays. Unter Berücksichtigung der sich
durch das LCD-Display ergebenden
Einschränkungen und auf der Grund-
ANZEIGE
▲ Abb. 4: Detailansicht des LCD Array-Projektors: Die Projektionseinheit besteht aus dem LCD-Mikrodisplay mit aufgebrachtem Mikrolinsenarray.
lage von geometrischen Strahlformungsrechnungen ergibt
sich ein Design, bei dem die Projektionsoptik aus einem
2D-Array asphärischer Einzellinsen mit einer Brennweite
von 4,3 mm und einer Blendenzahl von 2.4 besteht. Das
Gesamtsystem ist in Abb. 4 dargestellt.
Zusammenfassung
Sowohl das flachbauende Mikroskop als auch der ultrakompakte Array-Projektor basieren auf derselben Idee der
Miniaturisierung durch die Nutzung von Mikrolinsensystemen.
Im Falle des Mikroskops wird das klassische Objektiv
soweit verkleinert und vervielfältigt, dass eine Vielzahl
von nebeneinander angeordneten Abbildungskanälen
entsteht. Diese übertragen jeweils einen Teilbereich des
Gesamtobjekts mit einem Gesamtabbildungsmaßstab von
1:1 und generieren aneinander lückenlos anschließende
Teilbilder.
Im Falle des Projektors erfolgt eine ähnliche Verkleinerung
und Vervielfältigung der klassischen einkanaligen Projektionsoptik bis zu Brennweiten von wenigen Millimetern,
wodurch die Dicke des Gesamtsystems entsprechend gering wird.
Die dafür notwenigen Mikrolinsenarrays können durch
eine Kombination von lithographischen Verfahren mit UVAbformung kostengünstig hergestellt werden.
► INFO
Autoren:
Dr. Andreas Brückner, Dr. Anke Niemann, Marcel Sieler
Kontakt:
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik
Albert-Einstein-Str. 7 ∙ 07745 Jena ∙ Tel.: 03641 807 371
E-Mail: info@iof.fraunhofer.de
www.iof.fraunhofer.de
SENSOR MAGAZIN 1/2012 41
Document
Kategorie
Technik
Seitenansichten
16
Dateigröße
2 348 KB
Tags
1/--Seiten
melden